SE444493B - Forfarande for styrning av en stromriktare och stromriktare for kraftoverforing med hjelp av hogspend likstrom - Google Patents

Description

15 20 25 30 js4o421s-3 i . utrustningar för reaktiveffektkompensering, men sådana lösningar är mycket dyrbara.

En annan strömriktare av inledningsvis angivet slag är.tidigare känd genom Erich Uhlmann: "Power Transmission by Direct Current" (Springer-Verlag Berlin Heidelberg New-York 1975), sid l32-133, fig 9.6. Där föreslås ett sätt att öka stabiliteten genom att inom strömmarginalområdet bringa växel- riktaren att arbeta med konstant styrvinkel (u), vilket ger karakteristiken en svag positiv lutning inom detta område. Dämpningen av eventuella sväng- ningar blir dock svag.

Uppfinningen avser att åstadkomma ett styrförfarande och en strömriktare av, inledningsvis angivet slag, som på ett enkelt sätt och till försumbart låg kostnad ger en stabil växelriktardrift även vid svaga växelspänningsnät.

Vad som kännetecknar ett förfarande och en strömriktare enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav. I Uppfinningen skall i det följande_närmare beskrivas i anslutning till bifo- gade figurer 1-4, där fig 1 visar en strömriktare enligt uppfinningen, fig 2 visar en anordning för beräkning av begränsningsvärdet umax, fig 3 visar ström-spänningskarakteristikan för en strömriktare enligt uppfinningen och fig N visar karakteristikorna för två parallellarbetande växelriktare enligt uppfinningen.

Fig 1 visar en anläggning för kraftöverföring med hjälp av högspänd likström.

Den består av två strömriktare, SR1 och SR2, vilka företrädesvis är ström- riktare av nätkommuterad 12-pulsig typ. Strömriktarna är anslutna till växel- spänningsnäten AC1 och AC2 via strömriktartransformatorerna TR1 och TR2.

Strömriktarna är förbundna med hjälp av en likströmsledning L. De båda strömriktarna är likadana och är på känt sätt försedda med likadana styr- system. Strömriktarnas uppbyggnad, liksom uppbyggnaden av deras styrsystem, följer helt konventionella och välkända principer, t ex de som angives i den ovan nämnda boken av Uhlmann. Det enda undantaget är den enligt uppfin- ningen nya utformningen av strömriktarnas strömregulatorer. Av detta skäl skall endast den ena strömriktarens, SR2, styrsystem beskrivas.

Varje strömriktare kan arbeta antingen i likriktardrift eller i växelriktar- drift för att möjliggöra byte av överföringens effektriktning. I det följande 10 15 20 25 30 3 i 8404218-3, beskrivs det driftfall där strömriktaren SR1 arbetar som likriktare och ström- riktaren SR2 som växelriktare.

Strömriktaren SR2 har en strömregulator IREG, vilken tillförs en strömorder- signal Id. Denna strömorder är gemensam för anläggningens båda strömriktare och erhålles lämpligen från ett överordnat reglersystem, exempelvis för effekt- eller frekvensreglering. Detta överordnade reglersystem kan vara beläget i endera av de båda strömriktarstationerna, varvid strömordern I0 överförs till den andra stationen med hjälp av t ex en telekanal; Från strömordersignalen IO subtraheras i en summator S1 en signal AI, den s k strömmarginalen. Från ett likströmsmätdon IM erhålles en signal Id som motsvarar den aktuella_likström- men. Även denna signal subtraheras i summatorn S1 från strömordern. Om ström- riktarens likström I avviker från det värde som erhålles genom att ström- d marginalen AI subtraheras från strömordern I blir utsignalen från summatorn 0' _ S1 skild från noll, och denna signal tillförs själva strömregulatorn.

I tidigare kända anläggningar utgörs strömregulatorn normalt av en enda regu- lator med proportionell-integrerande karakteristik (PI-karakteristik). Enligt uppfinningen är nu regulatorn uppdelad på en separat proportionell del PR och en separat integrerande del i INT1, vilka båda tillförs utsignalen från summatorn S1. Proportionalregulatorn PR har en förstärkningsfaktor k och av- ger en utsignal ap till en summator S2. Integratorn INT1 har en rent integre- rande karakteristik och avger en utsignal mi. Enligt uppfinningen är integra- torn försedd med en begränsningsingång, vilken tillförs en signal aåax som erhålles från en beräkningskrets FAC. Integratorns utsignal kan därför aldrig överstiga det värde uåax som tillförs begränsningsingången._Utsignalen till- förs summatorn S2, vilken bildar en resulterande utsignal a = ap + di, Sig- nalen a utgör den styrvinkelorder som reglersystemet avger till strömriktarens styrpulsdon SPD. Detta don avger på i och för sig känt sätt styr- eller tänd- pulser Fu med en styrvinkel som har det beordrade värdet u. Dessa pulser till- förs en Eller-grind OR. Till en andra ingång på Eller-grinden OR tillförs pulser P7 från en släckvinkelstyrkrets AMFJ Kretsen AMF kan vara uppbyggd på det sätt som angives i t ex Forsell: "The Gotland D C Link: The Grid Control and Regulation Equipment", Direct Current, Vol 2, No 5, June 1955, Vol 2, NO 7, D60 1955, V brittiska patentskriften 985 67H, m 15 20 25 -Strömordern I 8404218-3 ' IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol PAS-87, No 3, March 1968, pp 859-865.

På det sätt som beskrivs i dessa skrifter beräknas kontinuerligt den fram till kommuteringsspänningens nollgenomgång återstående för kommutering till- gängligaspänningstídytan A. Vidare beräknas ett referensvärde AO som motsva- rar den spänningstidyta som krävs för att kommuteringen vid aktuell likström skall vara avslutad en viss vinkel 70 före kommuteringsspänningens nollgenom- gång. Vinkeln yo är den s k släckvinkeln och har lämpligen ett konstant värde på 150-200. Under varje period jämförs kontinuerligt storheterna AO och A iien nivåvíppa NV. Storheten A minskar kontinuerligt med tiden och när den blir lika med referensstorheten A0 avger nivåvippan en utsignal P7.

.Pulserna Pa och P7 tillförs alltså Eller-grinden OR, vilket medför att den av de båda pulserna som anländer först tillförs den aktuella strömriktarven~ tilen och tänder denna.

Figur 2 visar mera i detalj utformningen av kretsen FAC i figur 1 för beräk- ning av det övre gränsvärdet uàax hos integratordelens INT1 utsígnal ai.

Först beräknas den styrvinkel ao som vid en likström lika med den beordrade strömmen I ger en släckvinkel 7_= yo. Enligt kända samband erhålles denna 0 styrvinkel ur ekvationerna cosßo eycosyo - 2dx š9-' ägígg Q dN dío ao = 1800 - Bo I dessa samöand är dx växelspänningsnätets impedans I¿N strömriktarens nominella ström Udio strömriktarens ideala likspänning (tomgångsspänning vid Q = 0) Ud1ON strömriktarens ideala likspännimg vid nominell nätspänninn. 0, multiplicerad med en lämplig skalfaktor, tillföras i form av I _ O i , storheten ïe-en multiplikator MU, till vars andra ingang en storhet 2 ~ dx 20 25 30 35 . ri i i 8404218-3 tillförsl Multiplikatorns utsignal tillförs den ena ingången hos en divisions- krets DIV. Till divisionskretsens andra ingång matas en storhet' Ud1O UdiON. vilken erhålles genom att amplituden hos spänningen i det till strömriktaren anslutna växelspänningsnätet uppmäts och multipliceras med lämplig skalfaktor.

I en summator S3 subtraheras divisionskretsens utsignal från ett konstant värde, som motsvarar cosyo. Summatorns S3 utsignal tillförs en beräkningskrets nrccos med«arcuscosinusfunktion och vars utsignal utgör vinkeln Bo. I en sum- mator SU subtraheras därefter vinkeln BO från det konstanta värdet 1800, vil- -ket ger vinkeln a _ I en summator S5 subtraheras därefter från vinkeln ao ett 0 _ belopp k *AI; där k är förstärkningsfaktorn hos den proportionella regulator- delen PR 1 fig 1 och AI är strömmarginalen. Beloppet k ' AI motsvarar alltså ingreppet hos den proportíonella regulatordelen PR vid en insignal till denna del lika med strömmarginalen. Utsignaleneumax från summatorn S5 utgör begräns- ningsvärdet för den integrerande regulatordelens utsignal ai (tills vidare antas att korrektionen Aamáx är noll, varför u'max = amax).

Den enligt uppfinningen erhållna ström-spänningskarakteristiken visas i fig 3 (kurvan A-B-C-D)._Den vertikala kurvdelen A-B utgör den konventionella ström- regleringen av den som växelriktare arbetande strömriktaren šR2; De båda kur- vorna betecknade a = ao och a = amax_utgör strömriktarens likspänning som funktion av strömmen vid drift med konstant styrvinkel med värdena ao resp a . Vid drift inom kurvdelen B-C är a större än umax och den integrerande max regulatordelens utsignal är därför konstant och lika med uwäx . Styrningen om- besörjs därför helt av regulatorns proportionaldel PR. Ju kraftigare lutning kurvdelen B-C har, desto kraftigare dämpning erhålles av eventuella egensväng- ningar. Genom lämpligt val av proportionaldelens PR förstärkningsfaktor k kan enligt uppfinningen lutningen hos kurvdelen B-C inställas så att en tillräck- ligt god dämpning och därmed stabil drift även vid svaga växelströmsnät erhålles.

Enligt uppfinningen kan därför som framgår av fig 3 en väsentligt bättre egen- svängningsdämpning erhållas än vid de tidigare föreslagna strömriktare som arbetar med konstant styrvinkel inom strömmargínalområdet (lo -'AI < Id < I0).

Kretsen enligt uppfinningen utnyttjar endast de helt eller nära konstanta storheterna I0 och Udio. Några återkopplingar, t.ex via strömmens eller spän- ningens ärvärde, som kan ge upphov till ïnstabilitet existerar därför inte vid kretsen-enligt uppfinningen. 10 15 20 25 30 35 84041218-5 _ .* Inom kurvdelen C-D slutligen arbetar strömriktaren på konventionellt sätt med släckvinkel v = 70 (släckvinkelstyrkretsen AMF i fig 1 bestämmer då tändögon- blicket).

Oundvikliga beräknings- och och mätfel kommer att medföra att begränsninge- värdet u avviker från det ideala värde som bestäms av de ovan angivna matematiska-sambanden. Om ett för lågt värde erhålles hos aflax kommer ström- riktaren SR2 vid normaldrift (id = IQ) att arbeta med en släckvinkel som_ överstiger värdet 70. Detta medför en onödigt hög konsumtion av reaktiv effekt och vidare¿onödigt höga övertoner. Om å andra sidan cäáx får ett alltför högt värde-kommer släckvinkelstyrkretsen AMF i fig 1 att bestämma styrvinkeln inom en del av strömmarginalområdet; vilket ger risk för instabil drift. För att eliminera de nu nämnda felaktigheterna hos umax kan som visas i fig-2 en lång- sam återföring anordnas. Till en summator S7 matas dels - med negativt för- tecken - ett konstant värde yref, vilket exempelvis kan vara lika med yo, samt en signal som motsvarar värdet på den aktuella släckvinkeln 1. Skillna- den mellan dessa signaler tillförs en integrator INT2, vilken har en stor tidkonstant,_exempelvis av storleksordningen någon minut. Integratorns ut- signal"Aum X tillförs tillsammans med signalen amax summatorn S6. Integratorns utsigal Admax kommer i fortvarighetstillståndet att anta ett sådant värde, att T = ïref. Signalen Admax kommer alltså att korrigera eventuella felaktigheter hos den från summatorn S5 erhållna signalen amax, och utsignalen d'max från summatorn S6, vilken tillförs integratorn INT1 som begränsningssignal, kommer att nära överensstämma med det önskade värdet. ¿ Den nyssnämnda metoden är användbar vid drift med en släckvinkel som i nor- mal drift något överstiger det minsta tillåtna värdet 70. Om man i normal- drift önskar arbeta med den minsta tillåtna släckvinkeln yo kan man alterna- tivt eller som komplement använda en metod som detekterar när tändning sker via släckvinkelstyrkretsen AMF och som avger en lämplig insignal till integra- torn INT2. Via integratorns utsignal Aumax kommer därvid begränsningsvärdet u' att fortlöpande korrigeras och hållas vid ett sådant värde att släck- max vinkeln i fortvarighetstillståndet får sitt minsta tillåtna värde 10.

Det har vid tidigare kända strömriktare varit ett svårt problem att erhålla '- stabil parallelldrift av två eller flera växelriktare. Det har visat sig att ett styrförfarande och en styrutrustning enligt uppfinningen ger god stabili- tet även vid detta driftfall. För att erhålla den önskade strömdelningen mellan de parallellarbetande växelriktarna kan som visat i fig N begräns- ningsvärdet u X modifieras för den strömriktare som har den lägsta ström- ordern, De båda parallellarbetande växelriktarna har strömordervärdena 101 15 20 25 30 35 - a 8404218-3 och I02. Vid styrning enligt de ovan beskrivna principerna erhåller den förstnämnda strömriktaren karakteristikan A1-B1-C1-D och den andra ström- riktaren karakteristikan A2-B2-C2-D. Den senare strömriktaren blir bestäm- Vmande för driftspänningen, vilket medför att strömriktaren med den lägre strömordern IO1 kommer att få en ström lägre än strömordern och att ström- riktaren med strömordern IO2 kommer att få en ström som blir högre än ström- ordern. För att undvika denna icke önskvärda snedfördelning av belastnings- strömmen kan beräkningen.av begränsningsvärdet umax för strömregulatorns integ- rerande del modifieras så att i stället för oo ett värde ao" beräknas enligt -cos u " = -cos u - šgšïïgl ' Hgigë (d -d ) O 0 I U . X P dN diO där dx är den induktiva impedansen på strömriktarens växelspänningssida och dr är den resistiva impedansen på strömriktarens växelspänningssida. Därefter enligt u" = u " - k- AI. max 0 Den sålunda modifierade karakteristikan utgörs av kurvan A1-B1'-C1'-D. De båda beräknas det modifierade begränsningsvärdet u"maX strömriktarnas arbetsspänning U'd bestämmas av.strömriktaren med det högre strömordervärdet I02 och anges i fig H med den streckade horisontella linjen E.

Arbetspünkterna för de båda strömriktarna blir C1' och C , dvs båda ström- riktarna kommer att arbeta med strömmar lika med de beordrade strömvärdena I och I 01 O2f Den ovan angivna formeln gäller under förutsättning av samma ideala likspän- ning (Udio) i de båda parallellarbetande växelriktarna, dvs att växelriktarna är anslutna till samma växelspänningsnät och har synkroniserade lindnings- kopplare. Om växelriktarnas ideala likspänningar skiljer sig från varandra får formeln ovan modifieras så att hänsyn tages till detta faktum.

Styrutrustningen vid en strömriktare enligt uppfinningen kan på känt sätt upp- byggas helt av analoga kretsar eller helt av digitala kretsar eller av en kombination av dessa båda kretstyper. Vid användning av digitala kretsar kan dessa antingen utgöras av specialbyggda kretsar eller av på lämpligt sätt programmerade mikrodatorkretsar eller motsvarande enheter. Vid användning av programmerade digitala kretsar kan det vara omöjligt att fysiskt skilja ström- regulatorns proportionella och integrerande delar från varandra. Det kan då vara lämpligare att beteckna strömregulatorn såsom försedd med en proportio- nell delfunktion och en integrerande delfunktion med begränsade utsignaler.

Ovan har beskrivits hur begränsningsvärdet för integraldelen bestämmes genom. att från det beräknade värdet ao subtraheras en storhet k- AI som utgörs av

Claims (6)

tecken förïd < I 8404218-3 . den proportionella delens ingrepp vid en strömavvikelse lika med strömmargi- nalen. Strömregulatorns utsignal u erhålles därvid genom summering av utsig- nalerna up och ai från den proportionella och den integrerade delen. Enligt en alternativ utföringsform av uppfinningen, vilken ger exakt samma funktion och karakteristika hos strömriktaren, kan strömmarginalen subtraheras endast från insignalen~till integralförstärkaren men inte till proportionalförstär- karens insignal. Härigenom blir proportionalförstärkarens_utsígnal 0 vid Id = IO, varigenom umax = ao. Proportionaldelen kommer då att ha negativt 0. PATENTKRAV

1. Förfarande för styrning av en strömriktare (SR2) för kraftöverföring med hjälp av högspänd likström, vid vilket strömriktarens likström (Id) uppmätes och jämföras med en strömríktarens likström styrande strömorder (lo). Avvik- elsen bildas mellan å ena sidan den uppmätta strömmen och å andra sidan ström- 'ordern, minskad med ett strömmarginalvärde (AI). Strömriktaren styrs med en styrvinkel (d) som beror dels av en proportionell komponent (ap), som är en linjär funktion av avvikelsen, och dels av en integralkomponent (di) motsva- rande avvikelsens tidsintegral. Vid växelriktardrift och vid en likström understigande strömordern (Id < I0) styrs strömriktaren så att dess ström- -spänningskarakteristik har positiv lutning. Förfarandet k ä n n e t e o k n a s av att integralkomponenten (di) begrän- sas till ett belopp motsvarande ett första värde (dmax) hos strömriktarens styrvinkel på ett sådant sätt, att när den sålunda begränsade komponenten adderas till den proportionella komponenten (up) erhåller strömriktaren en positiv ström-spänningskarakteristik vid en likström understígande strömordern.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda första värde (umax) kontinuerligt beräknas i beroende av strömriktarens likström.

3. Förfarande enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda första värde (umax) beräknas i beroende av strömordern (lo).

4. H. Förfarande enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c kfn a t därav, att nämnda första värde beräknas genom att den styrvinkel (do) beräknas, vid vilken vid en ström lika med strömordern (I0) strömriktarens släckvinkel (7) 8404218-3 9 _ i , ' ,får ett förutbestämt minimivärde (Yo), varefter från nämnda styrvínkel (ao) ett belopp subtraheras som motsvarar den proportionella komponentens (up) storlek (k-AI) vid en ström lika med strömordern (IG).

5. V Förfarande enligt patentkrav 1 vid i växelriktardrift parallellarbetande strömriktare med skilda strömorder, k ä n n e t e c k n a t därav, att i var och en av de strömriktare, som har lägre strömorder (I01) än det högsta av strömordervärdena (I02), den mot strömavvikelsens tidsintegral svarande styrvinkelkomponenten (ai) begränsas i beroende av skillnaden mellan_dety högsta strömordervärdet (I02) och strömriktarens strömorder (I01) till ett belopp som motsvarar den styrvinkel (u"0) som, när strömriktarens ström är lika med dess strömorder (I01),_ger strömriktaren en spänning (U'd) som är lika med spänningen hos den strömriktare som har den högsta strömordern (I02), när den senare strömriktarens ström är lika med dess strömorder (IO2).

6. Strömriktare (SR2) för kraftöverföring med hjälp av högspänd likström, vilken har styrorgan för genomförande av förfarandet enligt patentkrav 1, innefattande -1 en_strömregulator (IREG) med en proportionell (PR) och en integrerande tINT1) delfunktion och anordnad att tillföras en strömorder (I0) och en signal motsvarande strömriktarens uppmätta likström (Id) och att styra strömriktarens styrvinkel i beroende av avvikelsen mellan strömordern (I0)¿ minskad med ett strömmarginalvärde (AI), och den uppmätta likströmmen (Id), organ anordnade att vid växelriktardrift och vid en ström understigande strömordern (Id < I0) bibringa strömriktarens ström-spänningskarakteristik -en positiv lutning. Strömriktaren k ä n n e t e c k n a s av att begränsningsorgan är anord- nade att begränsa utstorheten (ai) från strömregulatorns integrerande del- funktion (INTIÜ till ett belopp motsvarande ett första värde (umax) hos' strömriktarens styrvinkel på ett sådant sätt, att när den sålunda begrän- sade komponenten adderas till den proportionella komponenten (up) erhåller strömriktaren en positiv ström-spänningskarakteristik vid en likström under- stigande strömordern, att summeringsorgan (S2) är anordnade att summera i utstorheterna (a , ai) från den proportionella och den integrerande del- funktíonen och att den resulterande storheten (u) är anordnad att tillföras kretsar (SPD) för styrning av strömriktaren med en styrvinkel som motsvarar nämnda resulterande storhet.